A fundamental challenge of biology is to understand the vast heterogeneity of cells, particularly how cellular composition, structure, and morphology are linked to cellular physiology. Unfortunately, conventional technologies are limited in uncovering these relations. We present a machine-intelligence technology based on a radically different architecture that realizes real-time image-based intelligent cell sorting at an unprecedented rate. This technology, which we refer to as intelligent image-activated cell sorting, integrates high-throughput cell microscopy, focusing, and sorting on a hybrid software-hardware data-management infrastructure, enabling real-time automated operation for data acquisition, data processing, decision-making, and actuation. We use it to demonstrate real-time sorting of microalgal and blood cells based on intracellular protein localization and cell-cell interaction from large heterogeneous populations for studying photosynthesis and atherothrombosis, respectively. The technology is highly versatile and expected to enable machine-based scientific discovery in biological, pharmaceutical, and medical sciences.

Summary Root hair growth is tuned in response to the environment surrounding plants. While most of previous studies focused on the enhancement of root hair growth during nutrient starvation, few studies investigated the root hair response in the presence of excess nutrients. We report that the post-embryonic growth of wild-type Arabidopsis plants is strongly suppressed with increasing nutrient availability, particularly in the case of root hair growth. We further used gene expression profiling to analyze how excess nutrient availability affects root hair growth, and found that RHD6 subfamily genes, which are positive regulators of root hair growth, are down-regulated in this condition. On the other hand, defects in GTL1 and DF1, which are negative regulators of root hair growth, cause frail and swollen root hairs to form when excess nutrients are supplied. Additionally, we observed that the RHD6 subfamily genes are mis-expressed in gtl1-1 df1-1 . Furthermore, overexpression of RSL4 , an RHD6 subfamily gene, induces swollen root hairs in the face of a nutrient overload, while mutation of RSL4 in gtl1-1 df1-1 restore root hair swelling phenotype. In conclusion, our data suggest that GTL1 and DF1 prevent unnecessary root hair formation by repressing RSL4 under excess nutrient conditions.

Abstract When oncogenic transformed or damaged cells appear within an epithelial sheet, they are apically extruded by surrounding cells. Recently, using cultured mammalian epithelial cells and zebrafish embryonic epithelial cells, we found that a calcium (Ca 2+ ) wave propagates from RasV12-transformed cells and laser-irradiated damaged cells to surrounding cells and promotes apical extrusion by inducing polarized movements of the surrounding cells. In mammalian cell cultures, we reported that the inositol trisphosphate (IP 3 ) receptor, gap junctions, and the mechanosensitive Ca 2+ channel TRPC1 are involved in Ca 2+ wave-mediated polarized movements. However, which molecules regulate Ca 2+ wave-mediated polarized movements in zebrafish and whether the Ca 2+ wave can generate a force remain unknown. In this study, we aimed to answer these questions. By performing pharmacological and gene knockout experiments, we showed that a Ca 2+ wave induced by the IP 3 receptor and trpc1 led to formation of cryptic-lamellipodia and polarized movements of surrounding cells toward extruding cells in zebrafish. By using an in vivo force measurement method, we found that the Ca 2+ wave generated approximately 1 kPa of force toward extruding cells. Our results reveal a previously unidentified molecular mechanism underlying the Ca 2+ wave in zebrafish and demonstrate that the Ca 2+ wave generates a force during cell extrusion.

Abstract Transplantation of scaffold-embedded guided neurons has been reported to increase neuronal regeneration following brain injury. However, precise axonal integration between host and transplant neurons to form functional synapses remains a major problem. This study aims to develop a real-time femtosecond (fs) laser penetration on a 4 μm thick thin-glass sheet to promote guided axon outgrowth influenced by molecular gradients in a microfluidic device. The device enables the introduction of the guidance molecule (i.e., netrin-1), neuronal culture, and manipulation by fs laser. After fabricating multiple micro-holes on the thin-glass sheet using fs laser, netrin-1 gradients with radial concentrations are generated in the chamber, affecting axon outgrowth and guidance. A majority of axons (~92%) experiences guided outgrowth with positive angular changes towards netrin-1 gradients. These results demonstrate the capability of the precise and real-time manipulation system based on a fs laser and a microfluidic device to control the growth of neurons.

Abstract Axon outgrowth is promoted by the mechanical coupling between F-actin and adhesive substrates via clutch and adhesion molecules in an axonal growth cone. In this study, we utilized a femtosecond laser-induced impulse to break the coupling between the growth cone and the substrate, enabling us to evaluate the strength of the binding between the growth cone and a laminin on the substrate, and also determine the contribution of adhesion strength to axon outgrowth and traction force for the outgrowth. We found that the adhesion strength of axonal L1 cell adhesion molecule (L1CAM)-laminin binding increased with the laminin density on the substrate. In addition, fluorescent speckle microscopy revealed that the retrograde flow of F-actin in the growth cone was dependent on the laminin density such that the flow speed reduced with increasing L1CAM-laminin binding. However, axon outgrowth and the traction force did not increase monotonically with increased L1CAM-laminin binding but rather exhibited biphasic behavior, in which the outgrowth was suppressed by excessive L1CAM-laminin binding. Our quantitative evaluations suggest that the biphasic outgrowth is regulated by the balance between traction force and adhesion strength. These results imply that adhesion modulation is key to the regulation of axon guidance.

Abstract High intensity near infrared femtosecond laser is a promising tool for three-dimensional processing of biological materials. During the processing of cells and tissues, long lasting gas bubbles randomly appeared around the laser focal point, however physicochemical and mechanical effects of the gas bubbles has not been emphasized. This paper presents characteristic behaviors of the gas gabbles and their contact effects on cell viability. High-speed imaging of the gas bubble formation with various additives in physiological medium confirms that the gas bubble consists of dissolved air, and amphipathic proteins stabilize the bubble surface. This surface protective layer reduces interactions of gas bubbles and cell membranes. Consequently, the gas bubble contact does not cause critical effects on cell viability. On the other hands, burst of gas bubbles stimulated by an impact of femtosecond laser induced cavitation can lead to liquid jet flow that might cause serious mechanical damages on cells. These results provide insights for the parameter of biological tissue processing with intense fs laser pulses.

SUMMARY Actin dynamics mediate cell morphogenesis. Actin filaments polymerize outward at cell protrusions such as the leading edge of migrating cells, thereby pushing the membrane to protrude. The current paradigm explains that actin dynamics are regulated by cell signaling. However, it is unclear how cells spontaneously form actin-based protrusions even without a specific local signaling cue. We found that arrays of treadmilling actin filaments emerge widely in migrating cells and move in the direction of polymerization as actin waves. Their arrival at the cell periphery pushes the plasma membrane to protrude. Furthermore, they accumulate at protrusions without local signaling cues, similar to self-propelled particles colliding with a boundary. This leads to further growth of protrusions, thereby promoting spontaneous formation of the leading edge for migration. We propose that the self-propelled actin waves drive robust formation of protrusions for cell morphogenesis, through their abilities to self-accumulate into protrusions and push the membrane.